妙用科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱　提高物理教學(xué)有效性——以“力的分解”為例

李正德

(南京大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇　南京　210008)

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妙用科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱提高物理教學(xué)有效性——以“力的分解”為例

李正德

(南京大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇南京210008)

便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱將多個實(shí)驗(yàn)器材分門別類集于數(shù)十個箱子中，使實(shí)驗(yàn)器材模塊化，既減少了老師的工作量，又方便學(xué)生使用.實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)一些拓展性、開放性的器材讓學(xué)生在輕松氛圍中掌握知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，被學(xué)生稱為實(shí)驗(yàn)課的“百寶箱”.筆者在“力的分解”教學(xué)中，利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，讓學(xué)生通過動手，感受力產(chǎn)生的實(shí)際效果，掌握按效果分解力的一般步驟.

實(shí)驗(yàn)箱；探究；力的分解

便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱將多個實(shí)驗(yàn)器材分門別類集于數(shù)十個箱子中，使實(shí)驗(yàn)器材模塊化，既減少了老師的工作量，又方便學(xué)生使用.這套實(shí)驗(yàn)箱以探究為核心，注重探究的過程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，增強(qiáng)科學(xué)探究的能力，在獲取科學(xué)知識的同時，養(yǎng)成尊重事實(shí)、善于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度.

探究性教學(xué)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，選擇并確定研究的課題，用類似科學(xué)研究的方式，主動獲取知識、應(yīng)用知識，解決問題，具有自主性、開放性、實(shí)踐性、探究性的特點(diǎn).利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，更能充分展現(xiàn)學(xué)生各方面的特長，也便于多元評價的進(jìn)行.通過實(shí)際問題的解決過程，尋找教與學(xué)的切入點(diǎn)，把方法的獲得、能力的提高融入到獲取知識的過程中，將學(xué)生下意識運(yùn)用到的科學(xué)方法和良好的思維脈絡(luò)展露出來，通過教師的引導(dǎo)以及合理的歸納與總結(jié)，將支離破碎的知識和隱含的科學(xué)方法有機(jī)結(jié)合起來，讓學(xué)生在頓悟中達(dá)到心理深層次的成功體驗(yàn)，從而獲得情感上的滿足.課堂是開展研究性學(xué)習(xí)的主渠道，我校引進(jìn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，使研究性學(xué)習(xí)從課堂的創(chuàng)新做起，筆者以“探究力的分解”為例，介紹體會.

1　教材和學(xué)情分析

“力的分解”選自《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1》，旨在進(jìn)一步研究合力和分力，探究怎樣將一個力進(jìn)行分解.因此，本活動意在鞏固合力和力的合成的知識，解決學(xué)生心中對合力、分力之間關(guān)系的疑惑，同時提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究以及分析能力.

通過合力、力的合成的知識學(xué)習(xí)，學(xué)生們已經(jīng)知道合力、分力、力的合成和平行四邊形定則等知識，隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生對合力分力之間關(guān)系的興趣很濃，求知欲望強(qiáng)烈.

2　教學(xué)目標(biāo)

2.1知識與技能

(1) 理解分力及力的分解的概念.

(2) 理解力的分解與力的合成互為逆運(yùn)算，且都遵守力的平行四邊形定則.

(3) 掌握按力的作用效果進(jìn)行分解的一般步驟，學(xué)會判斷一個力產(chǎn)生的實(shí)際效果.

(4) 知道合力和分力之間的大小關(guān)系.

2.2過程與方法

(1) 設(shè)計游戲，讓學(xué)生感受較小的力能夠產(chǎn)生較大的分力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

(2) 通過演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察兩分力和合力產(chǎn)生的效果相同，滲透“等效替代”的思維方法.

(3) 利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，讓學(xué)生動手感受力產(chǎn)生的實(shí)際效果，掌握按效果分解力的一般步驟.

2.3情感、態(tài)度、價值觀

(1) 培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛷?qiáng)烈的科學(xué)探究意識.

(2) 力的合成和分解符合對立統(tǒng)一規(guī)律，通過聯(lián)系實(shí)際培養(yǎng)學(xué)生研究周圍事物的良好思維習(xí)慣.

3　教學(xué)設(shè)計思路

以生活現(xiàn)象為基礎(chǔ)，通過探究，建立分力、力的分解概念.利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱從等效的角度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過分析、比較分力的作用效果，歸納總結(jié)得出力的分解遵循平行四邊形定則.通過對實(shí)際問題的分析、討論，總結(jié)按實(shí)際效果分解力的思路.

本設(shè)計要突出的重點(diǎn)是分力、力的分解的概念和利用平行四邊形定則進(jìn)行力的分解.從生活中的常見現(xiàn)象入手，利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生的親身感受，從等效性的角度，通過分析、推理，建立分力和力的分解的概念，結(jié)合DIS學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，得出力的分解同樣遵循平行四邊形定則.

本設(shè)計要突破的難點(diǎn)是：通過實(shí)驗(yàn)探究，知道按實(shí)際作用效果分解力.教學(xué)中結(jié)合簡單實(shí)例，利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，把抽象的問題形象化，根據(jù)具體情況，分析力作用的實(shí)際效果，按實(shí)際效果分解力，然后從簡單問題中歸納出規(guī)律，并予以推廣.

本設(shè)計強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動參與，重視概念、規(guī)律的形成過程，關(guān)注科學(xué)方法的教育，重視學(xué)生合作意識和能力的培養(yǎng).

4　探究教學(xué)的流程

4.1創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入課題，提出問題

師：通過合力、力的合成的知識學(xué)習(xí)，同學(xué)們已經(jīng)知道什么是合力、分力、力的合成和平行四邊形定則等，了解分力和合力之間的關(guān)系對于解決力學(xué)問題是至關(guān)重要的，下面請同學(xué)們觀看一個情景.

學(xué)生活動：請兩位男生分別用力拉住長繩的一端，立正站立，一位女生垂直拉長繩的中點(diǎn).當(dāng)兩男生相距較近時，女生拉不動兩位男生，當(dāng)兩男生相距較遠(yuǎn)時，女生卻能夠拉動兩位男生.

4.2結(jié)合課堂情景，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

演示實(shí)驗(yàn)1：先用1串鉤碼(5個)將一端固定的橡皮條從E點(diǎn)豎直拉伸到O點(diǎn)，然后用2串鉤碼(分別為4個和3個)，通過定滑輪互成角度地將橡皮條拉到同一點(diǎn)O.

總結(jié)：如果幾個力共同作用產(chǎn)生的效果與一個力作用產(chǎn)生的效果相同,那么這幾個力就叫做那一個力的分力，這一個力就叫做那幾個力的合力.

師：已知分力求合力，這個過程叫力的合成，前面已經(jīng)學(xué)過.已知合力求分力的過程叫做力的分解，就是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容.力的合成遵守平行四邊形定則，力的分解是否也遵守平行四邊形定則？

生：力的分解應(yīng)該也遵守平行四邊形定則，因?yàn)榱Φ姆纸馐橇Φ暮铣傻哪孢^程.

探究1：力的分解是否也遵守平行四邊形定則？

作圖證明：在演示實(shí)驗(yàn)1中，用鉤碼的個數(shù)表示力的相對大小，作出合力的圖示，以此為對角線，兩分力方向?yàn)橐唤M鄰邊，作平行四邊形.在同一標(biāo)度下將兩鄰邊長度換算成力的大小，經(jīng)換算發(fā)現(xiàn)恰好與兩分力大小相等.也就是說，如果用對角線來表示合力，那么這一組鄰邊就表示兩分力，從而證明了力的分解遵守平行四邊形定則.

引導(dǎo)學(xué)生推理得出：力的分解與力的合成互為逆運(yùn)算.

師：不加限制條件，一個力可分解為無數(shù)組不同的分力.在實(shí)際問題中,一個力要怎樣分解?

演示實(shí)驗(yàn)2：用斜向上的力拉放在臺秤上重物(如圖1)，觀察平板臺秤示數(shù)的變化.

師：臺秤示數(shù)如何變化？這說明什么？

生：斜向上的拉力產(chǎn)生兩個作用效果：水平向前拉物體，豎直向上提物體.我們可用兩個力來等效替代這一個力，兩力共同作用的效果和F作用的效果相同，這兩個力就是F的分力.在實(shí)際問題中，力產(chǎn)生的作用效果往往是確定的，通過分析可以找出其作用效果，從而確定兩分力的方向，再來進(jìn)行分解，就可以得到唯一確定的解.

師：按力的作用效果分解力的關(guān)鍵是要確定一個力產(chǎn)生的實(shí)際效果.如何確定一個力產(chǎn)生的實(shí)際效果?

如圖2所示，靜止在斜面上的物體所受重力產(chǎn)生怎樣的作用效果？如何分解？

演示實(shí)驗(yàn)3：利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，將重物放在粘有海綿的斜面上，物體被垂直于斜面的擋板(表面粘有海綿)擋住而靜止在斜面上，讓同學(xué)們觀察放上重物前后海綿的變化情況.

師：如圖3所示，放上重物后，海綿發(fā)生了怎樣的變化？這說明什么？

生：重力產(chǎn)生兩個作用效果：一是使物體垂直斜面向下壓斜面，一是使物體垂直擋板向下壓擋板.根據(jù)此效果確定兩分力的方向，進(jìn)行分解.

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱和DIS傳感器，驗(yàn)證將重力沿垂直斜面向下和垂直擋板向下兩個方向分解與實(shí)際產(chǎn)生的作用效果是否相同.

如圖4所示，斜面上的物體的重力可分解為沿斜面向下的分力和垂直斜面向下的分力，有：F1=Fsinθ，F(xiàn)2=Fcosθ.取不同θ角值，將F1、F2的值填入表中，分析數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：重力產(chǎn)生的效果一是使物體垂直斜面向下壓斜面，二是使物體垂直擋板向下壓擋板.

引導(dǎo)學(xué)生通過上述討論歸納力的分解步驟：

(1) 根據(jù)力的作用效果確定兩個分力的方向.

(2) 根據(jù)已知力和兩個分力方向作平行四邊形.

(3) 根據(jù)平行四邊形確定分力的大小和方向.

(4) 根據(jù)三角形知識求分力的大小.

實(shí)例分析：如圖5所示，作用在三角形支架上的拉力產(chǎn)生怎樣的作用效果？如何分解？

學(xué)生活動：分發(fā)便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱的儀器，讓學(xué)生感受三角形支架上拉力F產(chǎn)生的作用效果(如圖6).

師：手的哪些部位有感覺？這說明什么？

圖7

演示實(shí)驗(yàn)4：利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱的儀器演示實(shí)驗(yàn)過程，讓同學(xué)們觀察三角形支架上的斜梁和橫梁的長度怎樣變化.如圖7所示，作用在三角形支架上的拉力產(chǎn)生兩個效果：一是沿斜梁斜向下拉斜梁(使斜梁伸長)，二是沿橫梁向內(nèi)壓橫梁(使橫梁縮短).

師：本節(jié)課開始所做游戲中女生的拉力產(chǎn)生了什么效果？如何分解？

生：女生的拉力產(chǎn)生兩個效果：分別沿兩段繩子的延長線方向拉兩段繩子

師：從游戲中可提出以下探究問題：合力一定，兩等大分力如何隨它們之間的夾角變化而變化？

圖8

探究2：如圖8所示，請兩位學(xué)生利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱和DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用兩個力傳感器分別連接繩套，繩子的中點(diǎn)掛有鉤碼.保持掛鉤碼的繩子豎直，改變兩段繩子間的夾角，讓學(xué)生觀察DIS力傳感器的示數(shù)的變化，并分析其中原因.

合力一定時，分力隨夾角增大而增大.當(dāng)θ=120°時，分力=合力；當(dāng)θ>120°時，分力>合力；當(dāng)θ<120°時，分力<合力.

由此可解釋原因：當(dāng)兩男生相距較遠(yuǎn)(θ>120°)時，女生較小的力能產(chǎn)生兩個較大的分力，從而拉動兩位男生.

4.3學(xué)以致用

師：汽車陷入野外樹林里的泥坑中，司機(jī)手中只有一根長繩，請想辦法幫司機(jī)把車?yán)鰜?

生：用一根繩子兩端分別連接大樹和汽車，司機(jī)從中間可以拉動汽車，理論依據(jù)是：合力一定時，分力隨夾角增大而增大.

5　小結(jié)

教學(xué)從一個有趣的游戲開始，激發(fā)了學(xué)生的興趣，利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，通過實(shí)驗(yàn)探究，引導(dǎo)學(xué)生分析得出一個力所產(chǎn)生的作用效果，從而確定分力的方向，再根據(jù)力的平行四邊形定則來進(jìn)行力的分解，這是分解力的一般方法.

古人云：“學(xué)起于思，思起于疑.”科學(xué)家愛因斯坦也曾說：“提出一個問題，往往比解決一個問題更重要.因?yàn)榻鉀Q一個問題往往是一個教學(xué)技巧而已，而提出一個新問題，新的可能性，從新的角度看舊問題，都要有創(chuàng)造性的想象力.”創(chuàng)新往往是從質(zhì)疑開始的，本節(jié)課教學(xué)通過問題的提出，利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱讓學(xué)生們進(jìn)行探究，結(jié)合生活實(shí)例，提出解決辦法，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，起到事半功倍的效果.教學(xué)中利用便攜式科學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，為他們今后的發(fā)展奠定基礎(chǔ).